淤地坝对坡地土壤有机碳分布的影响

赵 培，李晓刚，刘志鹏

(1.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000；2.南京农业大学 资源与环境科学学院，江苏 南京 210095)



淤地坝对坡地土壤有机碳分布的影响

赵 培1，李晓刚1，刘志鹏2*

(1.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000；2.南京农业大学 资源与环境科学学院，江苏 南京 210095)

以六道沟流域的淤地坝为例，测定了坝内外坡地土壤有机碳含量，旨在探讨淤地坝对坡地土壤有机碳分布的影响。研究结果表明：淤积达20年的淤地坝可以显著增加10 m长坡面0～130 cm土层的土壤有机碳含量，尤其表层有机碳含量增加了2.92 g/kg，较坡外增加358.34%，差异极显著(P<0.01)；从坝外到坝内坡地土壤有机碳基本表现出线性增大的趋势，但极大值点出现在坝内靠近分界线处；淤地坝的存在使坝内坡地比坝外坡地相同坡位的有机碳含量均增大，上坡增加的最大，达117.36%；坝内坡地土壤有机碳含量的变异系数较坝外的大。

淤地坝；坡地；土壤有机碳；分布

0　引言

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，是陆地碳循环的主体，全球约有1500 Gt碳以有机质形态储存于土壤中，主要集中在0～100 cm土层中。土壤有机碳库储量约是陆地植被碳储量的3倍、大气碳库的2倍[1-2]。土壤有机碳含量是土壤中的植物残体与土壤微生物分解损失两者之间平衡的结果，受水土流失、气候、植被、土壤理化特性以及人类活动等诸多物理、生物和人为因素的影响[3-5]。黄土高原地区是世界上水土流失最严重的地区之一，长期严重的土壤侵蚀使该地区土壤有机质含量平均不足1%，土壤有机碳密度平均为2.49 kg/m2，远远低于全国(10.53 kg/m2)的平均水平[6-7]。黄土高原上的水土保持措施是保持土壤不流失，一方面保持土壤碳库不因土壤侵蚀而损失；另一方面通过工程措施和生物措施改变地表微地形和植被覆盖状况，这样也影响到土壤碳库。

淤地坝是黄土高原水土保持措施中的主要工程措施，它拦泥拦沙，淤成的坝地是黄土高原重要的碳吸收汇[8]；另一方面，淤地坝形成坝地，促进退耕还林还草也是改善生态环境，增加植被覆盖，从而吸收CO2缓解全球变暖的重要因素。淤地坝拦泥、淤地，抬高侵蚀基准面，从而覆盖坝内坡地，缩短坡长，而坝内坡地往往植被生长茂密，枯落物大量覆盖，能起到防止土壤侵蚀的作用。因为坡地水土流失是导致区域土壤质量退化以及坡地生产力下降的重要原因[9]，而淤地坝的存在可能间接地改变了其两侧坡地的土壤有机碳含量和分布。关于淤地坝对坡地土壤有机碳分布影响的文章尚未见报道。本文以陕北神木六道沟流域一个典型的淤地坝为例，分析了坝内外坡地的土壤有机碳含量，探讨了淤地坝对坡地有机碳分布和含量变化的影响。这对淤地坝环境影响评价和中国水土保持措施中的淤地坝建设对全球碳循环的影响研究有一定的参考价值。

1　材料与方法

1.1研究地概况

研究区域为中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心神木侵蚀与环境试验站，该区位于神木县以西14 km处的六道沟流域，流域面积为6.9 km2，东经110°21′～110°23′，北纬38°46′～38°51′，海拔1081～1274 m，主沟道南北走向，长4.21 km，沟道平均比降26.25‰，是黄河一级支流窟野河水系的二级支沟，在主沟道两侧有8条支沟，整个流域近似菱形，北依长城，地处毛乌素沙漠的边缘，属于黄土高原水蚀风蚀交错带的强烈侵蚀中心，是典型的生态环境脆弱带。六道沟流域地面梁峁起伏，切割破碎，沟壑纵横，片片明沙点缀于黄土丘陵之上，形成了典型的沙盖黄土丘陵之特殊景观。该区属中温带半干旱气候，年平均气温8.4 ℃，年平均降水量437 mm，其中6～9月的降水约占全年降水的77%。植被类型为干旱草原，天然植被大部分已遭破坏，残存的天然草场也已严重退化、沙化。地貌类型为片沙覆盖的梁峁状黄土丘陵，地面组成物质以第四纪黄土沉积物为主，土壤侵蚀极为严重，流域平均水蚀模数可达15000 t/(km2·年)[10-12]。淤地坝是该流域最主要也是最有效的水土保持措施，共有淤地坝15座，其中蓄水坝2座，坝地面积占整个六道沟流域的1%[13]。本研究选取的建有淤地坝的坡地，淤地坝垂直于坡地，将坡地一分为二：坝内坡地和坝外坡地，其坡向为北偏东2°，坡度36°，地势险峻，人为活动较少。该淤地坝建成有20年，库容已满，坝地较高，从而造成淤地坝内外坡长不同，以坝内坡为准对比研究，坡长10余m。坝内坡地植被覆盖茂密，长满长芒草，枯落物层厚达2 cm，而坝外坡地几乎无植被覆盖。

1.2研究方法

以淤地坝坝体走向为中线，5 m×5 m网格布置取样点，共3行6列，坝内坝外各取9个点，淤地坝及其采样坡面示意图见图1。以淤地坝坝体中线(图1中竖线)对称采样，每个点的取样深度为200 cm，从表层土壤开始，每隔10 cm取样1次。风干后过1 mm筛，土壤有机碳含量用浓硫酸-重铬酸钾高温外加热氧化-亚铁滴定法(GB 9834─88)测定[11]，重复测定两次。

2　结果与分析

2.1淤地坝内外坡地土壤有机碳分布对比

为了对比坝内外坡面土壤有机碳分布，分别将坝内外9个采样点在同一深度的土壤有机碳平均值绘于图2。由图2可知，总体而言，坝外坡地土壤有机碳含量没有明显的垂直变化，总体含量比较低，变异也比较小。这是因为坝外坡地经过长期严重的土壤侵蚀，包括水蚀和风蚀，水土流失严重，又由于没有植被覆盖，缺少枯枝落叶层，而枯枝落叶层是由表面植被的未分解、半分解及已分解的死有机物组成的，所以坝外坡地土壤有机碳只有损失没有来源；另外，坝外坡地长时间缺少覆盖，地温较高，加速了表层土壤有机碳的分解[2]。而坝内坡地土壤有机碳含量均高于坝内坡地，变异也比较大，尤其表层的差异最大，表层有机碳含量为4.05 g/kg是坝外坡地的3.6倍，差异达到极显著水平。而0～100 cm土壤有机碳平均含量较坝外坡地均有了很大提高[1]，达到1.54 g/kg，是坝外坡地的2倍。随着深度的增加，土壤有机碳增加的趋势也减弱，到130 cm土层深度，土壤有机碳的含量与坝外坡地基本相近。由此可见，土壤有机碳在土壤表层中增加最显著，对表层土壤的保护对增加碳储量尤为重要。

图1　采样分布图

淤地坝建成以后，随着坝地淤积，汇集坡地和沟道径流，从而促进坝内坡地植被恢复生长。坝内坡地枯枝落叶的覆盖、长芒草细根的死亡、地温相对坝外坡地较低和水土流失控制较好等都是坝内坡地有机碳含量增加的原因。坝内坡地植物通过光合作用吸收大气中的CO2，碳主要以凋落物归还给土壤，为土壤有机碳的形成提供了大量物质来源，而死亡的根系和根系分泌物也是形成土壤有机碳的重要物质。此外，淤地坝工程改变了坝内坡地坡长，环境因素例如风速、光照等减少了土壤侵蚀，植被对降尘和风吹蚀的细粒组分的截获增加，不仅减少了表层土壤有机碳侵蚀损失，而且还截获了更多的降尘和土壤细颗粒[2]。植被恢复以后土壤养分保蓄较好，加上植物郁闭，土壤温度低，有机碳分解缓慢，所以土壤的有机碳含量较高。但土壤有机碳明显累积于土壤表层，且随着土壤深度的增加而迅速下降，并逐渐接近于坝外地的。由此可以看出，淤地坝的存在通过促进坡地植被恢复，可以增加坡面0～130 cm土层的有机碳含量，表层最为明显。坝内坡地植物是造成土壤有机碳增加的主要原因。

图2　淤地坝内外坡地土壤有机碳分布

2.2沿垂直坝体方向有机碳分布

为了探明土壤有机碳沿垂直坝体方向的分布特征，将平行于坝体方向(图1竖线)的3个取样点做平均值，绘于图3。由图3可知，坡地土壤有机碳从坝外到坝内基本表现出线性增大的趋势，但极值点是坝内坡地靠近分界线附近的采样点。我们在另一研究中发现，该点代表的区域，通常水分条件也较好，植物不仅可以吸收坝内坡地的水分，而且由于坝外坡地基本无植被覆盖，因此其根系由于向水性还可以延伸到坝外坡地吸收水分，因此长势最好，新陈代谢较快。坝内坡地土壤有机碳含量均高于坝外，坝外坡地的呈线性增加的趋势，这与坝内植被根系的分布和延伸的距离有关。

图3　从坝外到坝内坡地土壤有机碳含量变化

2.3不同坡位有机碳含量对比分析

黄土高原的淤地坝分为水库和以水土保持为主要功效的坝体。用于水土保持的淤地坝利用拦蓄的泥沙形成坝地，在坝地抬升的过程中，缩短了坝内坡地坡长。由于坝地丰富的土壤水资源[15]，“惠及”坝内坡地，促进了植被生长，间接地使不同坡位的有机碳分布也发生了变化。为了说明不同坡位土壤有机碳分布差异，将不同坡位的3个取样点的平均值绘于图4。由图4可见，坝外坡地有机碳的含量总体比较低，不同坡位的有机碳变化表现为：坡下>坡中>坡上，坡下和坡中的含量都高于坡上，坡中和坡下含量差异不大，这可能由于受到土壤侵蚀和水流冲刷后，坡中和坡下会淤积一些泥沙和枯落物，而坡上一般不会淤积；对于坝内坡地，由于植被的覆盖其土壤有机碳含量较坝外坡地的高，尤其坝内坡上高出坝外117.36%，这是因为坝外坡上有机碳含量最低；而坝内坡中和坡下比坝外分别高出63.92%和50.69%。

坡位对土壤有机碳的分布也有着重要影响，因为坡度因素、植物因素和土壤侵蚀共同影响着坡面土壤有机碳含量和分布。坡面土壤被侵蚀时，径流中的泥沙常含有相当数量的有机碳，而且侵蚀泥沙中有机碳含量几乎总是高于土壤中有机碳的含量[8]。此外，径流中也常常漂浮着很多短小、折断的植物枯叶和干枯茎杆，也有被冲刷出来的植物细根等，而泥沙和漂浮物等跟随径流沿途一般就会受到植物的阻碍，坡中的植被覆盖也较茂密，有一定的保持水土、落物的能力，而杂乱的枯落物越多其拦蓄漂浮物和泥沙的能力也就会越强，聚集的也就越多；再加上径流在坡中坡位时，其动能并不是很大，很容易被拦截，本身的枯落物较多，同时又可以阻挡上部土壤养分的流失、自身的土壤溅蚀，这也就是坡中有机碳含量相对较高的原因，这与魏孝荣等[9]的研究结果一致。不同坡位土壤有机碳分布的差异还与土壤性质、水分条件、侵蚀强度，植物种类、年龄、盖度，植物的水土保持效益，降雨、日照、温度、风速、风向，以及风力的大小，沙尘暴的发生、历时，人类、动物活动等都有一定的关系。淤地坝也是通过影响植被覆盖从而影响坡位有机碳分布的，并且与建坝时间和工程选址等也有关系。

图4　淤地坝内外坡地不同坡位有机碳含量对比

2.4土壤剖面有机碳分布特征

为了比较坝内外坡地土壤剖面有机碳的分布特征，将其统计特征值归纳于表1。由表1可知，坝外坡地土壤有机碳整体水平非常低，其变化范围是0.69～1.13 g/kg，变异系数在0.21～0.60之间，而坝内坡地的土壤有机碳在0.86～4.05 g/kg范围内变化，变异系数为0.21～0.71，比坝外坡地表现出更大的变异性，尤其是0～60 cm土层，这主要与植物的根系分布有关。土壤有机碳增加在土壤表层最为明显，增加了358.34%，200 cm土层只增加2.16%。

草本植物光合作用所同化的有机产物中有90%以上分布在地下，尤其是一年生草本植物,每年均有大量的死亡根系作为碳源进入土壤碳循环过程[16-18]。根系在土壤剖面上的垂直分布则主要受植被类型的影响，草本植物是须根系植物，根系的垂直分布主要集中在土壤表层，随着土层的加深其根系量也逐渐减少，而且随土层深度的加深微生物的数量和活力降低，其分解活动也减弱，导致土壤有机碳含量随土层浓度的加大而降低[2,19]。因此坡地土壤剖面有机碳的分布主要受植被根系分布的影响。此外，土壤有机碳的增加也有利于水分的入渗，有利于坝内坡地植被的生长。淤地坝的存在使坝内坡地也成为一个碳汇。

表1　淤地坝内外坡地土壤有机碳统计特征值

3　小结

通过对淤地坝内外坡地土壤有机碳含量的研究可知，该淤地坝工程拦泥拦沙20年，通过促进坡地植被生长，间接增加坝内10 m坡地0～130 cm土层土壤有机碳含量，较坡外达到显著水平(P<0.05)，平均增加了0.76 g/kg。沿垂直坝体方向，坡地土壤有机碳分布从坝外到坝内基本表现出线性增大关系，但极大值出现在坝内毗邻分界线区域。坝内坡地不同坡位的有机碳含量表现为坡中>坡下>坡上，而坝外是坡下>坡中>坡上，对于植被覆盖的坡地，坡中成为一个重要碳汇。淤地坝间接增加了坝内坡地土壤剖面的有机碳含量，其增加幅度呈递减趋势，越深含量越低，差异亦越小，表层增加了358.34%，差异极显著，深层(140～200 cm)变化不大。

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(责任编辑：许晶晶)

Effect of Check-dam on Distribution of Soil Organic Carbon in Slope Land

ZHAO Pei1, LI Xiao-gang1, LIU Zhi-peng2*

(1. College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China;2. College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

In order to explore the effect of check-dam on the distribution of soil organic carbon (SOC) in slope land, the author tested the SOC content in the slope land inside and outside check-dam of the Liudaogou basin. The results showed that the check-dam, which was built 20 years ago, could significantly increase the content of SOC in 0～130-cm-deep soil layer of 10-m-long inside slope land, especially the SOC content in surface soil layer was increased by 2.92 g/kg or 358.34%, which was very significantly different from that in surface soil layer of outside slope land (P<0.01). Basically, the SOC content in slope land exhibited a linear increasing trend from the outside to inside of check-dam, but the maximum value appeared near the boundary of inside dam. The existence of check-dam caused that the inside slope land had more SOC content than the outside one in the same slope position, and the biggest increase rate (117.36%) of SOC content was found in upslope position. The variation coefficient of SOC content in inside slope land was higher than that in outside one.

Check-dam; Slope land; Soil organic carbon; Distribution

2016-05-07

商洛学院博士团队服务地方科技创新与经济社会发展能力提升专项(SK2014-01-18)；商洛学院博士启动基金(14SKY031)。

赵培(1982─)，男，吉林磐石人，博士，主要从事流域环境研究。*通讯作者：刘志鹏。

S153.6

A

1001-8581(2016)09-0050-04